Продольные волны — это волны , в которых вибрация среды параллельна направлению распространения волны, а смещение среды происходит в том же (или противоположном) направлении распространения волны . Механические продольные волны также называются волнами сжатия или сжатия , поскольку при прохождении через среду они вызывают сжатие и разрежение , а также волнами давления , поскольку они вызывают увеличение и уменьшение давления . Хорошей визуализацией является волна по длине растянутой игрушки Слинки , где расстояние между витками увеличивается и уменьшается. Реальные примеры включают звуковые волны ( вибрации давления, частицы смещения и скорости частиц, распространяющиеся в упругой среде) и сейсмические P-волны (создаваемые землетрясениями и взрывами).
Другой основной тип волны — поперечная волна , в которой смещения среды происходят под прямым углом к направлению распространения. Поперечные волны, например, описывают некоторые объемные звуковые волны в твердых материалах (но не в жидкостях ); их также называют « поперечными волнами», чтобы отличить их от (продольных) волн давления, которые также поддерживают эти материалы.
«Продольные волны» и «поперечные волны» некоторые авторы для удобства обозначают как «L-волны» и «Т-волны» соответственно. [1] Хотя эти два сокращения имеют особое значение в сейсмологии (L-волна для волны Лява [2] или длинная волна [3] ) и электрокардиографии (см. Волна Т ), некоторые авторы предпочитали использовать «l-волны» (строчные буквы ' Вместо этого L') и «t-волны», хотя они обычно не встречаются в трудах по физике, за исключением некоторых научно-популярных книг. [4]
В случае продольных гармонических звуковых волн частоту и длину волны можно описать формулой
где:
Величина x / c — это время, за которое волна проходит расстояние x .
Обычная частота ( f ) волны определяется выражением
Длину волны можно рассчитать как отношение скорости волны к обычной частоте.
Для звуковых волн амплитуда волны представляет собой разницу между давлением невозмущенного воздуха и максимальным давлением, вызванным волной.
Скорость распространения звука зависит от типа, температуры и состава среды, в которой он распространяется.
Приведенные выше уравнения звука в жидкости применимы и к акустическим волнам в упругом твердом теле. Хотя твердые тела также поддерживают поперечные волны (известные как S-волны в сейсмологии ), продольные звуковые волны в твердом теле существуют со скоростью и волновым сопротивлением , зависящим от плотности материала и его жесткости , последняя из которых описывается (как и звук в твердом теле). газ) по объемному модулю материала . [5]
В мае 2022 года НАСА сообщило об ультразвуковой обработке (преобразовании астрономических данных, связанных с волнами давления, в звук ) черной дыры в центре скопления галактик Персея . [6] [7]
Уравнения Максвелла приводят к предсказанию электромагнитных волн в вакууме, которые представляют собой строго поперечные волны , поскольку для вибрации им потребуются частицы, электрические и магнитные поля, из которых состоит волна, перпендикулярны направлению волны. распространение. [8] Однако плазменные волны являются продольными, поскольку это не электромагнитные волны, а волны плотности заряженных частиц, которые могут взаимодействовать с электромагнитным полем. [8] [9] [10]
После попыток Хевисайда обобщить уравнения Максвелла Хевисайд пришел к выводу, что электромагнитные волны нельзя обнаружить в виде продольных волн в « свободном пространстве » или однородных средах. [11] Уравнения Максвелла, как мы их теперь понимаем, сохраняют этот вывод: в свободном пространстве или других однородных изотропных диэлектриках электромагнитные волны строго поперечны. Однако электромагнитные волны могут иметь продольную составляющую в электрических и/или магнитных полях при прохождении двулучепреломляющих материалов или неоднородных материалов, особенно на границах раздела (например, поверхностные волны), таких как волны Ценнека . [12]
В развитии современной физики Александру Прока (1897-1955) был известен разработкой релятивистских уравнений квантового поля, носящих его имя (уравнения Прока), которые применимы к массивным векторным мезонам со спином 1. В последние десятилетия некоторые другие теоретики, такие как Жан-Пьер Вижье и Бо Ленерт из Шведского королевского общества, использовали уравнение Прока в попытке продемонстрировать массу фотона [13] как продольную электромагнитную составляющую уравнений Максвелла, предполагая, что продольная электромагнитная составляющая волны могли существовать в поляризованном вакууме Дирака. Однако масса покоя фотона вызывает большие сомнения почти у всех физиков и несовместима со Стандартной моделью физики. [ нужна цитата ]
